연료전지용 재생형 송풍기를 위한 다공형 소음기 설계
Design of a perforated muffler attached to a regenerative blower for fuel
cell application
이광영
†․ 서경휘* ․ 전관호* ․ 길현권* ․ 이찬* ․ 황상문**
Kwang Yeong Lee, Kyeong Hwi Seo, Kwan Ho Jeon, Hyun Gwon Kil, Lee Chan
and Sang Moon Hwang
1) 1. 서 론 연료전지의 활용을 산업현장에서 다양하게 적용 되고 있으며, 지게차의 경우에도 기존 납축전지를 방식의 충전시간, 운행시간 등 단점을 보안하고자 연료전지의 활용의 필요성이 대두 되고 있다. 연료 전지 시스템은 높은 압력의 공기를 필요로 하기 때 문에 재생형 송풍기가 적합하나 소음이 크다는 단점 이 있다. 저자를 포함한 본 연구팀은 저소음 재생형 송풍기를 개발하여오고 있으며(1) , 보다 소음을 저감시 키기 위해 소음기 설계가 필수적으로 요구되고 있다. 본 연구에서는 일차적인 소음기 설계로 상용화를 고려하여 제작이 보다 쉽고 단순한 형태의 소음기로 요구 성능을 발휘할 수 있는 설계안을 제시하고자 한다. 2.소음기 이론 (1) 투과손실(2) 음향요소만의 에너지 손실을 표현하는 것으로서 음향요소의 입·출구 사이의 음압차를 dB로 나타낸 다. 소음기 요소로 입사하는 음의 파워레벨()과 투과음의 파워레벨()의 차로서 다음 식(1)과 같 이 정의할 수 있다. log
log
† 교신저자 ; 이광영, 수원대학교 E-mail : [email protected] Tel : 01062697226 , Fax : 0312202527 * 수원대학교 ** (주)프로파워
입구측에너지 출구측에너지 (1) (2) 전달행렬(3) 본 논문에서 고려하는 다공형 소음기 (Fig.1)에서 소음기의 음원단과 출구단의 압력 과 체 적속도와의 관계로 식(2)과 같이 표현할 수 있다.
(2) 여기서 과 은 확장관 양 끝 단에서의 압력과 체적속도를 나타낸다. 그리고
와
는 각각 직관부분과 공극부분의 전달 행렬을 의미한다. Fig.1의 확장관 임피던스를 고려하면, 식(2)는 식 (3)과 같이 소음기 음원단과 출구단의 압력과 체적 속도에 대한 전달행렬 로 이용하여 표현할 수 있다.
(3)Fig. 1 Perforated muffler
3. 다공형 소음기 분석
다공형 소음기의 투과손실 특성은 관의 음향모드 및 공극에 의한 공명현상과 확장관에 의한 영향의 복합된 한국소음진동공학회 2014년 추계학술대회
현상으로 나타나게 된다. 다공률이 낮을 때는 음향모드 에 의한 영향과 중·고주파수에서의 공극률에 의한 영향 을 명확히 구분 할 수 있다.(Fig.2a) 그러나 다공률을 높이면, 이 같은 주파수 대역에서 두 영향의 복합된 형 태로 상대적으로 높은 TL값이 형성된다.(Fig.2b) 그리 고 다공률이 보다 커질수록 이러한 높은 TL값을 나타 내는 현상은 고주파수로 이동하게 되면 해당 주파수 이하 영역에서는 단순확장관의 TL특성을 보이고 있음 을 알 수 있다.(Fig.2c) 이런 특성을 이용하여 원하는 주파수 대역에서 큰 TL값이 형성 되도록 관의 길이와 다공률을 구할 수 있다. Porosity = 1% a) Porosity = 9% b) Porosity = 17% c)
Fig. 2 Effect of porosity on transmission loss
for a muffler
4. 소음기 모델 제안
본 연구에서 개발된 저소음 송풍기로부터 측정된 소음스펙트럼은 Fig.3과 같다.
Fig. 3 Noise spectrum
측정된 소음특성은 광대역 주파수 소음과 약 5800Hz 주변에서 이산주파수 소음이 발생함을 알 수 있다. 그러므로 본 연구에서는 주 소음원으로 판 단되는 5800Hz대역에서 투과손실 값이 크게 형성되 는 소음기 모델을 고려하였다. 본 연구에 제안하는 소음기모델의 제원은 관통형 다공관 소음기로써 다공관의 직경 , 확장관의 직경 , 구멍의 지름 , 다공률 로 고려하였다. 이러한 소음기 모델을 송풍기에 부착하는 경우, 예상되는 소음 주파수 특성은 Fig.4와 같다. 이 결과로부터 주된 소음 원인인 5800Hz 부근의 이산주파수 소음을 효과적으로 저감할 수 있으며 소음기 부착 전 84dB의 소음은 72dB로 저감되게 된다.
Fig. 4 Performance of designed muffler
5. 결 론 본 연구에서는 물류운반차용 연료전지 시스템의 재생형 송풍기 소음을 저감하기 위한 소음기 개발을 위한 기초연구로 수행하였다. 그리고 흡음재를 포함 하여 보다 더 소음 저감을 위해 현재 연구가 진행 중에 있다. 후 기 본 연구는 2012년도 지식경제부의 재원으로 한국 에너지기술평가원( KETEP )의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다. (No. 20123010030020) 참고문헌 (1) 김준곤, 이광영, 이찬, 길현권, 정경호, 황상문, 2014,“연료전지용 저소음 재생형 송풍기의 개발”,한 국유체기계학회 v.17, no.2, 2014
(2) M.L.Munjal,1987, Acoustics of ducts and mufflers, John Wiley & Sons
(3) 방극호, “다공관 소음기의 투과손실에 관한 실 험적 연구”, 국민대학교 박사학위 논문
